Fren Balatalarında Cam Elyaf Kullanımının Sürtünme Özelliklerine Etkisinin Araştırılması

Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt 2, No:2, 35-41 Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol:2, No:2, 35-41 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn: 1309-405X Fren Balatalarında Cam Elyaf Kullanımının Sürtünme Özelliklerine Etkisinin Araştırılması *Recai KUŞ, **Burak Çiftçi * Selçuk Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 42075 Konya/TÜRKİYE ** Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi ABD, 42075 Konya/TÜRKİYE recaikus@gmail.com Özet Fren balatalarında takviye edici elyaf, bağlayıcı, dolgu malzemesi ve sürtünme düzenleyici olmak üzere dört grup malzeme kullanılmaktadır. Asbestin kanserojen etkisinin belirlenmesinden önce asbest, fren balatalarında elyaf olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktaydı. Asbestin kanserojen etkilerinin ortaya çıkması neticesinde fren balata teknolojisi asbeste muadil elyaflar üzerinde çalışmaya başlamıştır. Cam elyafı da bu elyaflardan biridir. Cam elyafı yüksek termal dayanıma sahip olduğu için fren balatalarında kullanılabilmektedir. Bu çalışmada da fren balatalarında cam elyafı kullanımının balatanın sürtünme performansı üzerindeki etkilerini belirlemek amaçlanmıştır. Beş farklı cam elyaf oranını ve bir adet de elyafsız olmak üzere altı formülde balata üretilmiş ve ilgili standartlar doğrultusunda sürtünme testleri yapılmıştır. Sürtünme testlerinin sonucunda cam elyafının balatanın sıcaklıkla sürtünme katsayısı değişimini daha kararlı hale getirdiği, ağırlıkça %20 cam elyaf oranındaki balatanın en yüksek sürtünme katsayısı sergilediği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Fren balatası, Cam Elyaf, Sürtünme. An Experimental Study On The Effect Of Fiber Glass Using In Automotive Brake Pad On The Friction Properties Abstract In brake linning is used four group materials that reinforcement fibre, binder, filler materials and friction regulator. The determination of the carcinogenic asbestos dumped before, it was used widely. With the emergence of the carcinogenic effects of asbestos, equivalent materials research to asbestos has begun. Glass fibre is one of them. Due to glass fibre has high thermal resistance, it can be used on the brake linning. In this study aim is effect of glass fibre in the prake pad on the braking performance. Five different glass fibre rate and one without glass fibre linnings were manifactured and friction tests were performed in related standards. Friction test results show that glass fiber cause more stability friction coefficient different temperatures, the sample that includes %20 glass fiber has very high friction coefficient Keywords: Brake linning, Glass Fibre, Friction. 1.GİRİŞ Balata, hareketli bir sistemin kinetik enerjisini sürtünme yoluyla ısı enerjisine dönüştüren ve bu ısıyı çevre ortama aktararak sistemin yavaşlamasını veya durmasını sağlayan kompozit sürtünme elemanıdır. İyi bir sürtünme elemanından, korozyona karşı dirençli, hafif, sessiz çalışma, sabit bir sürtünme katsayısını devamlı sağlayabilme, aşınmaya karşı dayanıklılık, düşük maliyet ve yüksek basınç altında sorunsuz ve performanslı bir şekilde çalışabilme, yüksek sıcaklıklara dayanabilme ve kullanıldığı alanlara has özelliklere sahip olması istenir[1]. Doğada bu özelliklerin tamamını sağlayabilecek saf bir maddeyi Bu makaleye atıf yapmak için Kuş.R., Çiftci.B., Fren Balatalarında Cam Elyaf Kullanımının Sürtünme Özelliklerine Etkisinin Araştırılması Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (2) 35-41 How to cite this article Kuş.R., Çiftci.B., An Experimental Study On The Effect Of Fiber Glass Using In Automotive Brake Pad On The Friction Properties Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2010, (2) 35-41

Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 35-41 Fren Balatalarında Cam Elyaf Kullanımının Sürtünme bulmak mümkün değildir. Bu koşulları sağlayabilecek bir sürtünme elamanı ancak çeşitli malzeme gruplarının birleştirilerek özel kompozit malzemeler oluşturulması sonucunda ortaya çıkabilmektedir. Bu nedenle balatalar üretici firma stratejisine, kullanım alanına ve şartlarına bağlı olarak 5 ila 20 arasında değişen malzemeden oluşturulur[2]. Balata içerisinde kullanılan malzeme ve kullanım oranı balata performansını doğrudan etkilemediği bilinmektedir. Bu konu ile ilgili yapılan araştırmalarda malzemelerin etki mekanizmalarından çok, balata formülizasyonu ve değerlendirilmesi üzerinde yoğunlaşılmıştır[3]. 1980 li yıllara kadar balata üretiminde takviye edici elyaf olarak asbest kullanılıyordu. Asbest, ucuz ve balatalara mükemmel dayanıklılık ve termal direnç sağlayan, 1908-1980 yılları arasında kullanımı yaygın olan bir fiberdir[4]. 1980 yılında asbestin kanserojen etkilerinin ortaya çıkmasıyla kullanımı yasaklanmış ve araştırmacılar, asbestin yerini tutabilecek elyaf çeşitleri üzerinde çalışmaya başlamışlardır. Araştırmalar asbeste muadil elyaflar arasında cam elyaf, taşyünü, metalik elyaflar, kevlar elyafı, karbon elyafı, seramik elyafı, aramid elyaf gibi elyaflar yer aldığını göstermektedir[5,6]. Cam elyafları yüksek termal dayanımı ve düşük maliyetinden ötürü %96-98 lik pazar payı ile elyaf takviye malzemeleri arasında, kompozit enstitüsüne hâkim konumdadır[7]. Cam elyafları termal ve aşınma direnci yüksek, maliyetleri düşük ve temin edilebilirliği kolay ve yerli üretim olan malzemelerdendir. Cam elyafının sağladığı bu olumlu özellikleri balata üretiminde elyaf olarak cam elyafı kullanılabilirliği ile ilgili yapılan çalışmalarının temelini oluşturmuş, bu nedenle de bu çalışmada, balata üretimde cam elyaf kullanımı ve kullanım oranının balata performansı üzerindeki etkileri üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu çalışmada fren balata üretiminde cam elyafı kullanım oranının balata performansı üzerindeki etkilerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Kompozisyonların belirlenmesinde literatür çalışmalarından faydalanılmış temin edilebilirlik, üretilebilirlik ve maliyet konuları dikkate alınarak balata üretiminde kullanılacak malzemeler belirlenmiştir. Literatürden belirlenen malzemelere özgü kullanım oranları belirlenmiş ve baz bir formül geliştirilmiştir[8,9,10]. Bu formül üzerinde cam elyaf oranının değiştirilmesi ile 6 farklı kompozisyonda fenolik reçine matriksli balata, sıcak presleme metodu ile üretilmiş ve TS 9076 standart şartlarına göre sürtünme karakteristikleri incelenmiştir. 2. MALZEME ve METOT 2.1. Karışımın Hazırlanması ve Balataların Üretimi Balataların üretiminde 0,5-1 mm boyunda, 13µm çapta, kırpılmış E-camı, bağlayıcı olarak fenolik reçine, dolgu malzemesi olarak barit ve vermükülit, sürtünme düzenleyici olarak grafit ve alümina kullanılmıştır. Literatür araştırmalarına göre bu malzemelerin kullanım oranı belirlenmiş, birkaç üretim denemesinden sonra baz ve testler için kullanılacak formüller belirlenmiştir. Numune grupları ağırlıkça %0, %5, %10, %15, %20, %25 cam elyafı içerecek şekilde kompozisyonlar oluşturulmuştur. Tablo 1 de numunelerin malzeme içeriği verilmiştir. Numuneler cam elyaf içeriğine göre kodlanmışlardır. Test sonuçlarının doğruluğunu artırmak için her bir kompozisyondan 4 adet numune üretilmiş ve test edilmiştir. 36

Kuş R., Çiftçi B. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 35-41 Tablo 1. Kompozisyon içerisindeki malzemelerin dağılımı (Ağırlıkça, %). Fonksiyon Malzeme (Ağırlıkça %) Miktar Matris Fenolik Reçine 20 Dolgu Barit 40-65 Vermikülit 2 Takviye edici elyaf Cam Elyaf 0-25 Sürtünme Düzenleyici Grafit 8 Alümina 2 Karışımlarında hazırlanmasında mini mutfak mikseri kullanılmıştır. Homojen bir karışım sağlanması için mikser içerisine önce, toz halde bulunan fenolik reçine, barit, alümina, vermikülit ve grafit konularak 1 dakika boyunca karıştırılmış, ardından cam elyaf eklenerek 1 dakika daha karıştırılarak karışım hazırlama işlemi tamamlanmıştır. Karışımlar 100 bar basınç ve 150 ºC sıcaklık altında 20 dakika boyunca preslenmişlerdir. Sıcak presleme işleminden çıkan numuneler silindiriktir ve boyutları Ø20x10mm dir. Presleme işleminin ardından numuneler fırında 250 ºC sıcaklık altında 1 saat boyunca kürleme işlemine tabi tutulmuştur. 2.2. Test Cihazı ve Test Şartları Sürtünme testleri METİSAFE firması tarafından geliştirilen, küçük-ölçekli balataların sürtünme karakteristiklerini, TS 9076 standardı şartları altında belirleyebilen test cihazında gerçekleştirilmiştir. Bu test cihazının şematik görünümü Şekil 1 de verilmiştir. Herbir numune için teste başlamadan önce test cihazının disk yüzeyi su zımparası ile zımparalanmıştır. Teste tabi tutulacak numune test cihazına bağlandıktan sonra TS 9076 standardına göre, 310 d/d lık disk hızında, 700kPa basınç altında, disk sıcaklığı 200 ºC de, sürekli olarak, temas yüzeyinin %95 i temas edene kadar ilk alışma işlemine tabi tutulmuştur. Bunun ardından 420 d/d lık disk hızında, 1050 kpa basınç altında, disk sıcaklığı 100 ºC de, 10 sn yüklü 20 s yüksüz ve 20 periyot olacak şeklinde son alıştırma işlemine tabi tutulmuş ve bunun ardından asıl test işlemlerine geçilmiştir. Şekil 1. Test cihazının şematik görünümü. Numuneler, 420 d/d lık disk hızında, 1050 kpa basınç altında, disk sıcaklığı 100 ºC den 300 ºC ye kadar artacak ve en çok 10 dk yüklü ve 20 s yüksüz olacak şekilde ilk yorma işlemine, daha sonra 420 d/d lık disk hızında, 1050 kpa basınç altında, disk sıcaklığı 250 ºC den 100 ºC ye kadar azalacak şekilde ilk dinlendirme işlemine tabi tutulmuştur. Bu aşamaların ardından numuneler, 420 d/d lık disk hızında, 1050 kpa basınç altında, 100 ºC den 350 ºC 37

Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 35-41 Fren Balatalarında Cam Elyaf Kullanımının Sürtünme ye kadar artacak şekilde ve sürekli olarak son yorma işlemine tabi tutulmuş, ardından 420 d/d lık disk hızında, 1050 kpa basınç altında, disk sıcaklığı 250 ºC den 100 ºC ye kadar azalacak ve 3 periyot olarak şekilde işlem uygulanmış ve test sonlandırmıştır. Test sonuçları test cihazı tarafından sürekli olarak kayıt altına alınmıştır. 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Testler sonucunda test cihazında alınan veriler bilgisayar ortamına aktarılmış ve grafikleri çıkarılmıştır. Deneyler esnasında sıcaklık ölçümleri 100 ºC den başlayarak 30 s aralıklarla 300 ve 350 ºC sıcaklıklarına ulaşılıncaya kadar yapılmıştır. Şekil 2 ve 3 de numune gruplarına ait sürtünme test sonuçları verilmektedir. İlk ve son yorma testi sonuçlarında görüldüğü gibi kompozisyon içerisine cam elyaf eklenmesiyle balatanın sürtünme katsayının sıcaklıkla değişimi stabil hale gelmektedir. Numuneler arasında ortalama sürtünme katsayının en düşük olduğu numune 5CE numunesidir. Ortalama sürtünme katsayısının en büyük olduğu numune ise 20CE numunesidir. Balata içerisindeki cam elyaf oranı %20 yi aştığında ortalama sürtünme katsayısında azalma olduğu Şekil 2 ve 3 de görülmektedir. Şekil 2. İlk yorma testi sonuçları. Şekil 3. Son yorma testi sonuçları. 38

Kuş R., Çiftçi B. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 35-41 TS 9076 standardına göre numunelerin soğuk ve sıcak sürtünme katsayıları hesaplanmanmış ve sonuçları Şekil 4 ve 5 de verilmiştir. Bu sonuçlara göre tüm numunelerin soğuk sürtünme katsayısı sıcak sürtünme katsayısına oranla yüksek olduğu görülmektedir. Soğuk ve sıcak sürtünme katsayıları grafiklerinde numunelerin birbirleri arasındaki sürtünme karakteristikleri değişmediği gözlenmiştir. Ayrıca testler esnasında balataların sesli çalıştığı ve disk yüzeyinde önemli ölçüde aşınmaya yol açtığı gözlenmiştir. Şekil 4. Soğuk sürtünme katsayılarının karşılaştırılması. 4. TARTIŞMA Şekil 5. Sıcak sürtünme katsayılarının karşılaştırılması. Literatürde de belirtildiği gibi cam elyafı yalıtkan bir malzeme olduğu için karıştırma esasında elektrostatik olarak yüklenmeden dolayı numune üretimleri esasında karıştırma problemleri ile karşılaşılmıştır (Mutlu ve Öner, 2002). Karıştırma işlemi esasında karışım içerisine %3-4 oranında metil alkol katılarak bu problem kısmen azaltılabilmektedir. Bu yöntem laboratuar çalışmalarında alternatif olarak görünse de endüstriyel üretimde maliyet ve üretim süresi konularını etkileyeceği için mümkün görünmemektedir. Sürtünme testi sonuçlarına göre; elyaf içermeyen numuneler stabil bir sürtünme katsayısı sergileyememiş, kompozisyon içerisine cam elyafı dahil edilmesiyle sürtünme katsayısında elyaf içermeyen numunelere göre daha stabil sonuçlar elde edilmiştir. Ağırlıkça %5 den %20 cam elyaf oranına kadar numune içerisindeki elyaf oranı arttıkça numunelerin soğuk ve sıcak sürtünme katsayılarının da arttığı gözlenmiştir. %20 oranının üzerine çıkıldığında ise soğuk ve sıcak sürtünme katsayılarının düştüğü, ayrıca sürtünme katsayısının stabilliğinin azaldığı gözlenmiştir. 39

Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 35-41 Fren Balatalarında Cam Elyaf Kullanımının Sürtünme %25 cam elyaf içeren numunelerin sürtünme sonrasındaki sürtünme yüzeyleri incelendiğinde yüzeyde çukurlukların oluştuğu görülmüştür. Bu bölgeler yukarıda belirtilen nedenden dolayı balata tane yapısının homojen olmamasından kaynaklanmaktadır. İmalat esasında bu noktalarda cam elyaf yumakları oluşmakta ve karıştırma işleminde fenolik reçine bu elyaf yumaklarının içerisine nufüs etmekte zorlanmaktadır. Bu nedenle %25 elyaf içeren numunelerde homojen ve sağlıklı bir mekanik yapı elde edilememiştir. Sürtünme esasında oluşan bu çukurlar balatanın sürtünme yüzey alanını azaltmış, neticesinde testler esasında balataya uygulanan kuvvet sabit kaldığı için de balatanın göstermiş olduğu frenleme performansı düşmüştür. Sürtünme katsayısı sonuçlarına göre; en düşük soğuk sürtünme katsayısını 0,362 değeri ile 5CE numune grubu, en yüksek soğuk sürtünme katsayısını ise 0,536 değeri ile 20CE numune grubu sergilemiştir. En düşük sıcak sürtünme katsayısını 0,301 ile 5CE numune grubu, en yüksek sıcak sürtünme katsayısını ise 0,487 değeri ile 20CE numune grubu sergilemiştir. Sonuçlar incelendiğinde bütün numunelerin sıcak sürtünme katsayı değerleri soğuk sürtünme katsayısı değerlerine göre düşük olduğu görülmüştür. Bunun nedeni fenolik reçinenin 200ºC ve üzeri sıcaklıklarda bağlayıcılık özelliklerinin kötüleşmesidir. Sıcaklıkla sürtünme katsayısının değişim mekanizması temel olarak literatürdeki fenolik reçine matriksli balatalarla uyum sağladığı görülmüştür (Kim ve Ark., 2008). 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Cam elyafının taşıt fren balatalarının sürtünme özelliklerini nasıl etkilediğini incelenmesini amaçlayan bu çalışmada 6 farklı kompozisyonda numune balatalar üretilmiş ve test edilmiştir. Test sonuçlarına göre ağırlıkça %5 den %20 cam elyaf oranına kadar numune içerisindeki elyaf oranı arttıkça numunelerin sıcaklıkla değişen sürtünme özelliklerinin iyileştiği, %20 oranının üzerine çıkıldığında bu özelliklerin kötüleştiği görülmüştür. Elde edilen sonuçlar özetlenirse cam elyafının; - Sürtünme ile oluşan yüksek sıcaklık aralığında(300-350ºc) balatanın sürtünme katsayını iyileştirdiği ve balataya daha stabil sürtünme katsayısı sergilettirdiği, - Balata üretiminde ağırlıkça %20 seviyelerine kadar cam elyafı kullanılabileceği, - Üretim esasında karıştırma probleminin olduğu ve bu problemin laboratuar ortamında ortadan kaldırılabilmesine rağmen büyük ölçekli veya endüstriyel üretimde kaldırılmasının güç olduğu, - Balatanın sesli çalışmasına neden olduğu, - Diskin hızlı aşınmasına yol açtığı, sonuçları ortaya çıkmıştır. Sürtünme testlerinde kararlı sürtünme özellikleri elde edilse de sadece bu nedenler balata üretiminde cam elyafının kullanılabileceğini kanıtlamak için yeterli değildir. Balata üretiminde balatanın sürtünme performansı kadar, üretilebilirliği, sessiz çalışması, fren diski ile uyumu da önemlidir. Cam elyafı sürtünme performansı açısında iyi bir seçenek olsa bile diğer unsurlar dikkate alındığında balata üretiminde tek başına kullanılması uygun görülmemektedir. Cam elyafı balata içerisinde aramid elyaflarla kullanıldığı takdirde balata yüksek sıcaklıklardaki sürtünme performansını iyileştirebileceği ve daha karalı sürtünme karakteristiğine sahip bir balata ortaya çıkabileceği düşünülmektedir. Balata üretiminde kullanılabilen kauçuk ürünleri ile bunların atıklarının balatanın sessiz çalışmasına katkı sağladığı bilinmektedir. Cam elyafının neden olduğu ses problemini önlemek için karışım içerisine kauçuk tozu konularak kompozisyonlar geliştirilebileceği düşünülmektedir. 40

Kuş R., Çiftçi B. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 35-41 Cam elyaf içeren kompozisyonların karışımı esnasında ortaya çıkan elektrostatik yüklenmeyi önlemek ve neticesinde daha homojen bir karışım elde etmek için toz reçineler yerine sıvı reçinelere yer verilerek olumlu sonuçlar alınabileceği düşünülmektedir. 6. KAYNAKLAR 1. Chan, D., Stachowiak, G.W., 2004, Review of Automotive Brake Friction Materials, Pp 953-966, IMechE (Institution of Mechanical Engineers), Vol 218. 2. Chand N., Hashmi A.R., Lomash S., Naik A., 2004, Development of Asbestos Free Brake Pad, Pp 13-16, IE (I) Journal-MC, Vol 85. 3. Mutlu İ., Öner C., 2003, Asbestsiz Disk Fren Balatalarında Sıcaklık-Sürtünme katsayısı-zaman ilişkisinin incelenmesi, Pp 121-127, Teknoloji, Sayı 1-2. 4. Blau P.J., 2001, Compositions, Functions and Testing of Friction Brake Materials and Their Additives, ORNL/TM-2001/64. 5. Arnab G., Raji G., 2008, Asbestos Free Friction Composition For Brake Linings, Pp 19-22, Bull.Mater.Sci., Vol 31. 6. Jang H., Ko K., Kim S.J., Basch R.H., Fash J.W., 2004, The Effect of Metal Fibers on The Friction Performance of Automotive Brake Friction Materials, Pp-406-414, Wear, Vol 256. 7. ŞİŞECAM A.Ş., 2009, Cam Elyaf, camelyaf@sisecam.com.tr. 8. Jang H., Kim S.J., 2000, The Effects of Antimony Trisulfide and Zirconium Silicate in The Automotive Brake Friction Material on Friction Characteristics, Pp-229-236, Wear, Vol 239. 9. Mutlu, İ., Öner, C., 2002, Cam Elyaf Takviyeli Disk Fren Balatalarının Özelliklerinin İncelenmesi, Sayfa 89-96, TEKNOLOJİ, Sayı 3-4. 10. Cho M.H., Kim S.J., Kim D., Jang H., 2005, Effects of Ingredients on Tribological Characteristics of a Brake Linning: an Experimental Case Study, Pp 1682-1687, Wear, Vol 258. 41